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Major lipids in cell membrane

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Major Lipids in Cell Membrane

세포막의 lipid molecule은 대부분의 동물 세포막 질량의 약 50%를 구성한다. 세포막에 있는 모든 lipid molecule은 Amphiphilic molecule이다 - hydrophilic (polar) end와 hydrophobic (nonpolar) end를 모두 가진다.

세포막의 주요 Lipid 클래스

세포막은 세 가지 주요 lipid class를 포함한다:

  1. Phospholipid
  2. Cholesterol
  3. Glycolipid

Phospholipid

가장 풍부한 membrane lipid이다. Polar head group (phosphate group 포함)과 두 개의 hydrophobic hydrocarbon tail을 가진다.

Glycerophospholipid

대부분의 동물 세포막에서 주요 phospholipid이다:

  • 3-carbon glycerol backbone
  • Glycerol의 인접한 두 carbon에 fatty acid 연결 (ester bond)
  • 세 번째 carbon에 phosphate group 부착

주요 glycerophospholipid:

  1. Phosphatidylethanolamine

    • 포유류 plasma membrane의 주요 phospholipid
    • 전기적으로 중성 (한 개의 positive, 한 개의 negative charge)

  2. Phosphatidylserine

  3. Phosphatidylcholine

    • 포유류 plasma membrane의 주요 phospholipid
    • 전기적으로 중성

Sphingolipid

Glycerol 대신 sphingosine을 backbone으로 사용:

  • Sphingosine: long fatty acid tail + amino group (NH₂) + 두 개의 hydroxyl group (OH)

Sphingomyelin:

  • 가장 흔한 sphingolipid
  • Amino group에 fatty acid tail 부착
  • Terminal hydroxyl group에 phosphocholine group 부착

포유류 세포막 구성: Phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine, sphingomyelin이 포유류 세포막 lipid 질량의 절반 이상 구성

Cholesterol

Sterol의 일종으로 동물 세포에서 발견되는 주요 sterol이다:

  • Rigid ring structure
  • 단일 polar hydroxyl group
  • 짧은 nonpolar hydrocarbon chain

Membrane 내 배향:

  • Hydroxyl group이 인접한 phospholipid의 polar head group 가까이
  • Rigid platelike steroid ring이 hydrocarbon chain의 polar head group 가까운 영역과 상호작용
  • 진핵세포 plasma membrane에 특히 많음 - 최대 phospholipid molecule 하나당 한 개

기능:

  • Membrane의 permeability-barrier property 강화
  • Fluidity of a lipid bilayer 조절
  • Phospholipid hydrocarbon chain의 첫 몇 개 CH₂ group의 mobility 감소
  • Bilayer를 덜 deformable하게 만듦
  • 작은 water-soluble molecule에 대한 permeability 감소

Glycolipid

Sugar를 포함하는 lipid molecule로 Glycolipid 노트 참조.

Lipid 조성의 다양성

세포막별 차이

Table 10-1: 다양한 세포막의 대략적인 Lipid 조성

다양한 membrane의 lipid 조성이 크게 다르다:

  1. Bacterial plasma membrane:

    • 주로 한 가지 주요 phospholipid type
    • Cholesterol 없음
    • E. coli: 70% phosphatidylethanolamine

  2. Red blood cell plasma membrane:

    • Cholesterol 23%
    • 다양한 phospholipid 혼합

  3. Myelin:

    • Glycolipid 28%로 높음
    • 신경세포 축삭의 전기 절연에 특화

  4. Mitochondrion membrane:

    • Cholesterol 3%로 낮음
    • Phosphatidylcholine 44%로 높음

  5. Endoplasmic reticulum:

    • Phosphatidylcholine 40%
    • Cholesterol 6%

진핵세포 membrane의 특징

진핵세포 plasma membrane은 원핵세포보다 더 다양하다:

  • 많은 양의 sterol 포함
  • 다양한 phospholipid 혼합

복잡성

Mass spectrometry에 의한 분석 결과:

  • 전형적인 진핵세포 membrane은 500-2000가지의 서로 다른 lipid species 포함
  • Red blood cell의 단순한 plasma membrane도 150가지 이상
  • 복잡성의 원인:
    • Head group의 조합 변화
    • Hydrocarbon chain 길이 변화
    • Desaturation 정도
    • 구조적으로 구별되는 minor lipid

Lipid heterogeneity의 역할:

  • Phase transition 방해
  • Membrane-spanning protein의 bilayer 내 더 나은 fit 도움
  • 누출 방지

Minor Lipid의 중요성

일부 membrane은 구조적으로 구별되는 많은 minor lipid 포함:

  • 이 중 일부는 중요한 기능 보유

Inositol phospholipid:

  • 동물 세포막에 소량 존재
  • Membrane traffic 안내에 중요한 기능
  • Cell signaling에 중요한 기능
  • 많은 enzyme에 의해 국소 합성과 파괴가 조절됨
  • 작은 intracellular signaling molecule 생성
  • Membrane 위의 lipid docking site 생성 - cytosol의 특정 protein 모집

Archaea의 Lipid

Archaea에서 lipid는 보통:

  • Fatty acid 대신 20-25 carbon 길이의 prenyl chain 포함
  • Prenyl과 fatty acid chain은 유사하게 hydrophobic하고 flexible
  • Thermophilic archaea: 가장 긴 lipid chain이 두 leaflet을 모두 span
  • 결과: Membrane이 열에 특히 안정적

결론: Lipid bilayer는 유사한 특징을 가진 분자로부터 만들어질 수 있지만 서로 다른 분자 디자인 가능

관련 개념

Phospholipid

Phospholipid

가장 풍부한 membrane lipid이다. 자세한 내용은 Phospholipid 참조.

주요 특징:

  • Polar head group (phosphate group 포함)과 두 개의 hydrophobic hydrocarbon tail
  • 두 가지 주요 subclass: Glycerophospholipid와 Sphingolipid
  • 포유류 세포막에서: Phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine, sphingomyelin이 lipid 질량의 절반 이상 구성

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